基于CAN/LIN的汽车检测系统电路设计

张朝阳，陈贵鹏，李 健

(1.吉林师范大学 信息技术学院，吉林 四平136000;2.通化市铁厂镇；3.吉林农业大学 信息技术学院，吉林 长春130018)

1 引言

当前，我国汽车电子技术水平还比较落后，且主要依靠技术引进来实现，尤其是动力总线系统、车身总线系统的研究更有待于提高.因此，必须学习国际主流总线的技术与标准，开发出自己的汽车总线与网络应用系统，并且参考CAN/LIN总线接口的方案，减少企业的车身电子技术研究周期.通过基于CAN或LIN总线将车身网络系统连接起来，逐步实现中低档轿车和轻型货车车身控制装置的机电一体化[1].针对国内自主品牌汽车的稳定性的迫切需求，本文设计了一套基于嵌入式的汽车CAN/LIN总线测试系统.

2 CAN/LIN 总线的介绍

2.1 CAN总线的介绍

针对汽车中的测试仪器和系统控制之间数据交换存在的问题，德国博世(BOSCH)公司在20世纪80年代初开发了一种串行数据通信协议——CAN总线.CAN总线是一种多主总线，利用双绞线、同轴电缆或光纤充当通信介质，其通信速率可以达到1Mbps.CAN总线协议的一个最大特点是对通信数据块进行编码代替以往的站地址编码.CAN总线协议采用CRC检验以保证数据通信的可靠性，同时提供相应的错误处理功能，从而在各节点之间，实现自由通信.CAN总线结构简单，其内部集成了错误探测模块和管理模块，通过2根线与外部相连.与目前通行的通信总线相比，CAN总线在数据通信方面有较高的性价比，优异的可靠性、灵活性[2].

2.2 LIN总线的介绍

在单主多从模式下，拓扑结构为总线型LIN网络配置灵活，网络中只有一个主节点和多个从节点.主节点控制整个网络通信，网络中没有通信冲突.由于网络的整个配置信息仅保存在主节点中，从节点均能自由地接入或脱离网络，从节点之间、主从节点之间没有冲突.满足大多数智能传感器和执行器之间对通信距离与通信速度的要求(LIN总线单线传输最大距离可达到40m，通信波特率为1kbit/s～20kbit/s).SCI/UART标准硬件接口应用在LIN总线物理层，通过收发器与LIN网络相连.大多数单片机中都有SCI接口，使用廉价的单片机来开发网络中的从节点，能够降低网络的运营成本.

3 基于CAN/LIN总线的汽车检测系统的硬件电路设计

3.1 整体设计思路

通过参考成熟的CAN/LIN总线设计电路，经过基础测试及单元电路测试，应用电路设计软件Altium Designer10.0设计了电路原理图，如图1所示.

图1 整体电路原理图

本设计采用Silicon Laboratories公司生产的汽车级控制芯片C8051F500Q作为整个硬件系统核心控制芯片；恩智浦半导体(NXP)公司生产的TJA1040 、TJA1020收发器分别作为控制局域网CAN物理总线与协议控制器之间的硬件接口，LIN主机从机协议控制器和LIN传输媒体之间的接口；采用AT24C04作为存储扩展，并结合JTAG调试烧写电路和12V转5V转压电路共同构成一个独立完整的工作电路[3-4].

3.2 中央控制器硬件电路

图2 中央控制电路

中央控制电路如图2所示，由于数字电路的频率高、模拟电路的敏感度强的特点，针对通信信号线，高频的信号线要尽可能远离敏感的模拟电路器件，因此，本设计将模拟地与数字地进行隔离.C8051F500芯片内部提供了稳定的24M内部晶振，因而电路中未设置外部晶振电路.Silicon Labs公司C8051F500芯片内部集成博世CAN控制器，采用CAN协议进行串行通信.CAN控制器包含一个CAN核、控制寄存器、消息RAM及消息处理状态机.控制器符合博世2.0A基本CAN标准和2.0B全功能CAN标准，方便在CAN网络上的通信.

3.3 电源电路设计

图3 电源电路

电源电路如图3所示，采用了LM2937IMP-5.0的12V转5V转压芯片；为保护转压电路的安全性，防止回流，采用二极管N5817；输入及输出两端的电容起到稳定两端电压的作用.

3.4 CAN/LIN总线接口芯片电路设计

图4 CAN总线接口电路

CAN总线接口电路如图4所示，其中P0口的P0.6和P0.7分别为CAN总线收发器TJA1040与主控制器C8051F500Q的发送接口和接收接口.TJA1040作为CAN物理总线和控制器之间的硬件接口，能提高对CAN总线的差动发送与差动接收能力[5].

图5 LIN总线接口电路

LIN总线接口电路如图5所示，LIN总线通信需要12V外部供电，P1口的P1.0和P1.1分别作为LIN总线收发器TJA1020与主控制器C8051F500Q的发送接口和接收接口，P1.2作为LIN的启动引脚.TJA1020是LIN物理总线和主——从协议控制器之间的硬件接口，工作波特率在2.4kbits/s～20kbits/s之间.TXD管脚输入的发送数据通过LIN收发器转换成LIN总线信号，通过收发器控制转换速率与波形，这样能够减少EME.通过一个内部终端电阻LIN总线的输出管脚被拉成高电平.通过LIN总线的输入管脚，收发器检测到的数据流通过RXD管脚发送至微控制器[6-7].

4 系统调试

系统硬件调试主要部分包括：拥有完整系统的硬件电路板如图6(整体电路包括JTAG下载电路，12V转5V的电压转换电路，主控芯片外围基础电路，以及TJA1040和TJA1020接口转换电路)；新华龙U-EC6下载调试器如图7；上位机的Keil软件烧录软件.

图6 完整系统电路板

图7 新华龙U-EC6下载调试器

将最小系统硬件电路板焊接完成，用万用表测试防止漏焊情况发生，将U-EC6下载调试器连接上位机和系统板JTAG接口，通过上位机的Keil软件下载最基础的LED灯闪烁例程测试系统板的下载功能以完成最基本电路测试，焊接测试完成两块基础电路板后，继续在这两块电路板上焊接CAN总线接口转换电路和芯片TJA1040及OLED接口电路，下载CAN总线测试程序通过OLED显示数据，测试CAN总线的收发性能，测试完成后继续焊接LIN总线接口转换电路及芯片TJA1020,下载LIN总线测试程序通过OLED显示数据，测试LIN总线的收发性能.至此，完成整个硬件电路的测试.

5 总结

本设计在实验室条件下，能够满足汽车在运行中对各种控制指令与数据传输的要求，并且可以准确地检测控制过程中可能产生的故障.本设计可以根据不同用户要求,扩展CAN/LIN总线连接节点的数量，实现较完整的CAN/LIN通讯网络.

参考文献：

[1]张南峰,华志涛,郭洲权.从国外汽车检测技术现状看我国汽车检测技术之差距[J].中国检验检疫,2010(09)：29-30.

[2]李锐，皇甫晶琼.车载CAN总线网络管理协议浅析[J].汽车实用技术,2014(05):52-56.

[3]邱今胜.一种CAN总线汽车仪表实训台的设计[J].农业装备与车辆工程,2014(05):69-71，82.

[4]王亮.基于CAN/LIN总线的汽车车身控制模块设计[D].长沙：湖南大学,2011.

[5]巩少梁.基于2.0协议的CAN总线控制器的设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学,2014.

[6]秦怀斌.LIN总线收发器电路的研究与设计[D].成都：电子科技大学,2013.

[7]姜义成,范振.基于LIN总线的汽车零部件检测平台设计与实现[J].计算机测量与控制,2011(12):2925-2927.